1Ingeniero Metalurgico, Investigador sector Acería, Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19 Oeste, 2900 San Nicolás,
Prov. de Buenos Aires, Argentina. E-mail: [email protected]
2Ingeniero em Materiales, Investigador sector Acería, Centro de Investigación Industrial, Tenaris Siderca, J. Simini 250 (2804) Campana,
Prov. Buenos Aires, Argentina. E-mail: [email protected]
3Ingeniero Metalurgico, Investigador sector Acería, Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19 Oeste, 2900 San Nicolás,
Prov. de Buenos Aires, Argentina. E-mail: [email protected]
4Ingeniero Mecanico, Tecnólogo Colada Continua, Ternium-Siderar, Planta General Savio, Casilla de Correo 801, 2900 San Nicolás,
Prov. de Buenos Aires, Argentina. E-mail: [email protected]
5Dr. em Ciência de los Materiales, Tecnólogo Colada Continua, Centro de Investigación Industrial, Tenaris Siderca, J. Simini 250 (2804) Campana,
Prov. Buenos Aires, Argentina. E-mail: [email protected]
ESTUDIO DEL ORIGEN DE INCLUSIONES EN EL REPARTIDOR
DE COLADA CONTINUA DE TERNIUM SIDERAR
Alejandro Martín 1
Juan Andres Méndez 2
Michel Romero 3
Gustavo Di Gresia 4
Carlos Cicutti 5
Resumen
Para la producción de aceros con altas exigencias de calidad es indispensable conocer con precisión las distintas fuentes de generación de inclusiones, de modo de optimizar las prácticas metalúrgicas para minimizar su presencia. El uso de elementos trazadores en la escoria ha mostrado ser una herramienta eficaz para determinar el origen de las inclusiones en los productos de colada continua. En el presente trabajo se realizaron diferentes experiencias utilizando BaCO3 para trazar la escoria de distribuidor. Empleando esta metodología se siguieron diferentes secuencias y se tomaron muestras de planchones en distintos momentos de las coladas. Las muestras fueron exhaustivamente analizadas por medio de microscopía óptica y electrónica de barrido. Se evaluan la densidad, distribución de tamaño y composición de las inclusiones observadas. Los resultados de estos análisis revelan la presencia de inclusiones con Ba en los planchones cercanos al momento del cambio de cuchara. En cambio, en las muestras correspondientes al período estacionario de la colada no se detectan este tipo de inclusiones. Las inclusiones con Ba se presentan con mayor frecuencia en las coladas avanzadas de secuencia y en aquellos casos donde el nivel de distribuidor tuvo un descenso más marcado en el momento del cambio de cuchara. Estos resultados sugeren que la emulsificación producida por el impacto de la corriente de acero líquido al abrir la nueva cuchara puede generar inclusiones que son arrastradas a los moldes. El efecto es más marcado cuando hay una mayor acumulación de escoria en el repartidor. Finalmente, se realizaron también distintas pruebas utilizando elementos modificadores de flujo dentro del distribuidor, analizándose su impacto en la generación y eliminación de las inclusiones.
Palabras clave: Inclusiones; Distribuidores; Escorias.
STUDY ABOUT THE ORIGIN OF INCLUSIONS
IN THE TUNDISH OF TERNIUM SIDERAR
Abstract
For the production of steels with high quality standards is essential to know accurately the different sources that generate inclusions, in order to optimize the steelmaking practices and to minimize their frequency. The use of tracer elements in the slag has shown an effective tool to determine the origin of inclusions in continuous casting slabs. In the present study different experiences were performed using BaCO3 like a tracer in the tundish slag. Using this methodology slab samples were taken at different times of the castings. The samples were exhaustively analyzed by optical microscopy and SEM/EDS. The density, size distribution and composition of the inclusions observed were evaluated. The results of this analysis revealed the presence of inclusions with Ba in the slab during the transitory state (ladle change). For another hand, samples from the stationary state did not detect this type of inclusions. Ba inclusions occur most frequently in advanced casting sequence and in those cases where the tundish level has a weight reduction during the ladle change. These results suggest that the emulsification produced by the impact of the flow of liquid steel can generate inclusions. The effect is more pronounced when there is a greater accumulation of slag in the tundish. Finally, various tests are also performed using flow modifiers within the tundish, analyzing their impact on the generation and elimination of non-metallic inclusions.
de BaO durante varias coladas. Como resultado de estas pruebas se decidió apuntar a una relación 50/50% peso de BaO/SiO2 de modo de obtener una escoria líquida a la temperatura de proceso. La Tabla 1 resume las condi-ciones de colado bajo la cuales se realizaron los cuatro seguimientos con adición de trazador en repartidor.
2.2 Pruebas con Barrera de Argón en Repartidor
El provedor de la pieza refractaria realizó diferentes estudios preliminares empleando modelos matemáticos para determinar la posición óptima del tapón. Como resultado de estos análisis, se decidió colocarlo a una distancia de 1.100 mm de una de las líneas (Figura 1). La cañería de argón que transporta el gas se adhirió a la pared y se protegió con ladrillo refractario. Como se mencionó anteriormente, en estas experiencias el dispositivo se colocó en una de las mitades del repartidor, con el fin de comparar la limpieza inclusionaria obtenida en planchones de ambas líneas.
Las pruebas fueron realizadas inicialmente en dos secuencias de aceros de bajo carbono donde se buscó mantener similares condiciones de colado en ambas líneas (principalmente, ancho y velocidad de colada). La Tabla 2 resume las principales variables de proceso de las coladas seleccionadas en ambas secuencias para evaluar la limpieza inclusionaria.
2.3 Pruebas con Pieza Anti Vortex en Repartidor
La pieza anti vórtice es del tipo aleta y fue colocada en el lateral del repartidor solo en la línea 1, de modo de poder comparar los resultados de limpieza inclusionaria en los planchones de ambas líneas. En la Figura 2 se observa la ubicación de la pieza mencionada.
1 INTRODUCCIÓN
Ternium Siderar es la principal compañía produc-tora de acero en la Argentina y la única que produce productos planos en el país, mediante la ruta alto horno, convertidor, horno cuchara y colada continua de plan-chones. Con el fin de obtener productos cada vez más confiables en términos de calidad, las prácticas metalúr-gicas deben ser continuamente revisadas y optimizadas. En particular, para mejorar la limpieza interna del acero, resulta de gran importancia poder conocer con precisión las distintas fuentes que generan las inclusiones.
Luego de la implementación del horno cuchara, Ternium Siderar adoptó la práctica de inyección de calcio en todas las coladas, para mejorar la secuencialidad y la condición de flujo de acero en el molde, factores que impactan directamente en la calidad superficial y interna de los planchones. Esso significa que las inclusiones obte-nidas al final del tratamiento son, básicamente, aluminatos de calcio con contenidos variables de otros componentes minoritarios, como MgO y S. Por lo tanto, essas inclusiones no pueden distinguirse fácilmente de otras generadas por el atrape o emulsión de escoria en las distintas etapas de elaboración.
Distintos trabajos de la literatura(1-8) han mostrado
que el uso de elementos trazadores en las escorias puede ser una herramienta útil para investigar los orígenes de las inclusiones. El presente trabajo es llevado a cabo en conjunto entre el Instituto Argentino de Siderurgia, el Centro de investigaciones de Tenaris y Ternium Siderar. Enn el mismo se analiza la influencia de la escoria de repar-tidor como fuente de generación de inclusiones,(9,10) y se
evalúa el efecto de elementos modificadores de flujo en el repartidor: barreras de argón y pieza anti-vortex.
2 ENSAYOS EN PLANTA
2.1 Utilización de Trazadores
Habitualmente, el material usado en Siderar para cubrir la superficie de acero líquido en el repartidor es cáscara de arroz calcinada (alto contenido de SiO2). Previo al primer seguimiento, se realizaron diferentes pruebas para optimizar los aspectos vinculados a la adición del BaCO3. Finalmente se determinó la metodología correcta de adición de BaCO3 a fin de mantener constantes el tenor
Tabla 1. Resumen condiciones de las secuencias muestreadas
Secuencia Vc (m/min) Ancho (mm) Espesor (mm) Acero Coladas estudiadas
S1 1.6-1.9 950-1.500 200 Bajo C 2-6-7-8-9
S2 1.0-1.9 930-1.650 200 Bajo C 2-6-7-8-9
S3 1.4-1.8 1.240-1.500 200 Bajo C 2-5-6-7-8-9
S4 0.8-1.0 1.020-1.500 200 Bajo C 2-5-6-7-8-9
cuchara generaba inclusiones en el producto, se extra-jeron muestras del primer planchón de la nueva colada, lo más cercano a este evento. Adicionalmente, se tomaron muestras también del quinto planchón de la colada, repre-sentativo del estado estacionario.
2.5 Análisis de Muestras
La metodología de estudio consistió en cortar las probetas (Figura 3) y pulir a espejo para evaluar las inclusiones presentes. Se comenzó con una primera obser-vación en el microscopio óptico. Para esta evaluación se inspeccionaron probetas de aproximadamente 12 cm2,
donde se identificaron todas las inclusiones mayores a 30 µm, las que fueron posteriormente analizadas por EDS para determinar su composición. En una segunda etapa, se realizaron conteos usando el analizador automático de partículas del microscopio electrónico de barrido.
3 RESULTADOS
3.1 Escoria de Repartidor
Los resultados de los análisis de escoria mostraron un contenido de Ba comprendido entre 5% y 10%. De acuerdo a los resultados previos publicados en la literatura, estos valores son adecuados para detecter su presencia en las inclusiones no metálicas. En la Tabla 4 se presentan los resul-tados obtenidos sobre las muestras de escoria analizadas.
3.2 Inclusiones
Dado que todos los aceros producidos en Ternium Siderar son calmados al aluminio y posteriormente tratados con calcio, las inclusiones normalmente encon-tradas en el producto final son aluminatos de calcio con cantidades variables de MgO y S.
Las pruebas fueron realizadas inicialmente en dos secuencias donde se buscó mantener similares condi-ciones de colado en ambas líneas (principalmente, ancho y velocidad de colada). Para determinar el origen de las inclusiones encontradas se adicionó además trazador (BaCO3) a la escoria de repartidor.
La Tabla 3 resume las principales variables de proceso de las coladas seleccionadas en ambas secuencia para evaluar la limpieza inclusionaria. En todos los casos las muestras fueron tomadas del primer planchón.
2.4 Muestreo
Se extrajeron muestras de planchón del tercio superior donde, por la curvatura de la máquina, la mayoría de las inclusiones, flotan y quedan retenidas durante la solidificación (Figura 3). Con el fin de evaluar si la emul-sificación de escoria del repartidor durante el cambio de
Figura 2. Montaje de la pieza anti vórtice en L1. Figura 3. Muestreo de planchón.
Tabla 3. Condiciones de proceso para los dos seguimientos realizados
Secuencia Colada Velocidad (m/min) Ancho (mm) Mínimo peso repartidor en cambio
de cuchara (Tn)
L1 L2 L1/L2
Secuencia 1
S1C1 1.76 1.75
1.240
17.5
S1C2 1.74 1.77 24.5
S1C3 1.76 1.77 25.0
Secuencia 2
S2C1 1.83 1.84
1.220
23.0
S2C2 1.83 1.84 25.9
S2C3 1.82 1.84 19.1
Tabla 2. Condiciones de proceso para las distintas pruebas realizadas
Nº
Secuen-cia - Colada Vc (m/min) Ancho (mm)
Flujo Ar (L/min)
L1 L2 L1 L2 L1 L2
S1 C1 1,17 1.20 1.000 1.000 20
-S1 C2 1,30 1.31 1.000 1.000 20
-S1 C3 1,24 1.35 1.000 1.000 20
-S1 C4 1,34 1.35 1.000 1.000 20
-S1 C5 1,14 1.28 1.000 1.000 20
-S2 C1 1,12 1.11 1.240 1.240 20
-S2 C2 1,12 1.03 1.240 1.240 20
-S2 C3 0,83 0,82 1.240 1.240 20
-S2 C4 0,83 0,82 1.240 1.240 20
-S2 C5 0,90 0,90 12.40 1.240 20
-3.3 Efecto de la Escoria de Repartidor en la Generación de Inclusiones
La presencia de Ba en las inclusiones indica una gran influencia de la escoria de repartidor en la generación de inclusiones. La densidad medida en todas las muestras analizadas se resumen en la Figura 5.
En general, una mayor densidad de partículas se observa en los planchones correspondientes al momento del cambio cuchara (transición) en comparación con los del período de estado estacionario. Además, el número de inclusiones en estos planchones tiende a aumentar a medida que la posición en la secuencia se incrementa.
En la mayoría de los ensayos realizados utilizando como trazador BaO en escoria de repartidor (Tabla 1), las inclusiones con Ba fueron detectadas en las muestras tomadas del planchón de transición, no así en mues-tras de planchón correspondiente al estado estacionario (Figura 6). Por otra parte, en los planchones de transición, las inclusiones que contienen Ba fueron generalmente más grandes. A modo de ejemplo, la Figura 7 se muestra la proporción de inclusiones con Ba para diferentes tamaños de partículas en una de las series analizadas.
Sin embargo en este caso algunas de ellas presen-taron Ba en su composición, un mapeo de composición de una inclusión con trazador se puede ver en la Figura 4, en la que se puede apreciar la matriz compuesta por alumi-nato de calcio y bario (xAl2O3.yCaO.zBaO) y la presencia de fases precipitadas, tanto de espinela (MgO.Al2O3) como de sulfuro de calcio (CaS). Este último se ubica principal-mente recubriendo la inclusión.
En la Tabla 5 se presentan los resultados cuantita-tivos de algunas de las inclusiones con Ba halladas en los planchones.
Respecto a la densidad y distribución de tamaños, dado que las inclusiones más nocivas para el producto final son las de mayores dimensiones, el presente trabajo se focalizó sólo en el análisis de las partículas mayores a 30 µm.
Tabla 5. Resultados de los análisis EDS sobre las inclusiones halladas
en los planchones (% peso)
Inclusión MgO Al2O3 SiO2 CaO BaO
#1 10.1 52.8 1.6 28.3 7.2
#2 8.4 55.0 2.0 27.3 7.3
#3 9.5 56.4 2.1 26.9 5.1
#4 10.6 54.3 1.3 24.7 9.2
#5 8.5 58.2 2.1 27.1 4.1
#6 8.6 51.2 1.9 31.8 6.3
#7 10.7 59.9 3.6 21.1 4.6
#8 10.9 57.7 0.7 25.8 4.8
#9 10.6 59.5 1.5 23.5 4.9
#10 6.6 53.7 2.2 29.8 7.8
Tabla 4. Análisis de las escorias muestreadas durante los seguimientos
(%p)
Coladas MgO Al2O3 SiO2 CaO BaO
S1 C7 9.0 16.0 48.0 16.0 7.0
S1 C8 7.0 14.0 54.0 14.0 7.0
S1 C9 7.0 17.0 42.0 19.0 10.0
S2 C6 7.3 16.9 41.4 23.3 7.0
S2 C7 10.5 20.6 43.2 17.2 5.6
S2 C8 7.4 17.9 34.9 25.8 9.6
Figura 4. Mapeo de una inclusión con Ba.
Figura 5. Evolución de la densidad inclusionaria de la secuencia en
estado de transición y estacionario.
Figura 6. Frecuencia de inclusiones con Ba en estados transitorio y
Figura 7. Distribución de tamaños de inclusiones con Ba.
Figura 8. Efecto de la barrera de argón sobre inclusiones mayores
a 30 µm. El hecho de que las inclusiones con Ba son más
grandes sugiere que son introducidas por emulsificación de escoria y no endógenas es decir formada por la reacción con [Ba] disuelto en el acero líquido. Desde el punto de vista de la calidad del acero, estas inclusiones más grandes pueden ser más perjudiciales para el producto.
Todos estos resultados indican que la escoria de distribuidor puede ser una fuente importante de inclu-siones durante el proceso de cambio de cuchara. Aunque la cantidad de escoria de cuchara que pasa sea poca, la acumulación a lo largo de la secuencia proporciona una fuente de inclusiones no metálicas durante los períodos de inestabilidad. Un mecanismo posible es la emulsificación de escoria producida durante la apertura de cuchara. Otra posibilidad es que la escoria de distribuidor sea arrastrada hacia los moldes por el vórtice formado alrededor de la barra tapón durante el descenso de nivel de acero.
Ambos mecanismos han sido confirmados en ensayos modelo de agua.(11,12) Sin embargo, para las
condi-ciones de proceso de esta planta, el primer mecanismo parece más probable.
A medida que la secuencia avanza, la cantidad de escoria acumulada en repartidor aumenta y la probabilidad de generación de inclusiones por emulsificación también. Basándose en los resultados anteriores, las acciones adop-tadas en planta para minimizar la formación de este tipo de inclusiones fueron, por un lado evitar una excesiva acumu-lación de escoria y por otro reducir la velocidad de colado durante el cambio de cuchara, apuntando a disminuir la variación de peso en el repartidor y aumentar el tiempo de residencia del acero en el mismo.
3.4 Efecto del Uso de Barrera de Argón en la Limpieza del Acero
La densidad de las inclusiones mayores a 30 µm en la línea con barrera de argón fue claramente inferior, en la Figura 8 se puede ver la comparación para los dos ensayos realizados y los efectos positivos de la barrera de argón sobre las inclusiones de mayor tamaño. Estos resultados están en buen acuerdo con los valores reportados en la literatura.(13,14)
3.5 Influencia de la Pieza Anti-vortex en la Limpieza del Acero
En la Figura 9 se presenta las densidades de inclu-siones mayores a 30 µm medidas en los planchones de ambos seguimientos. Como puede observarse, no se detectan diferencias importantes en la cantidad de
4 CONCLUSIONES
En el presente trabajo, se estudia la influencia de la escoria de repartidor en la generación de inclusiones mediante el uso de trazadores (BaO). Los resultados de estos ensayos mostran que las inclusiones con Ba se hallaron en su mayoría en los planchones afectados por el cambio de cuchara.
También se observa que la densidad de estas inclusiones se incrementa según progresa la secuencia de coladas. Esto es debido a la acumulación de escoria en el repartidor seguido de una posible emulsión durante la apertura de la cuchara, generando inclusiones que pueden llegar al molde y quedar atrapadas en los planchones.
Se adoptaron prácticas metalúrgicas para minimizar este efecto durante las operaciones diarias. La utilización de barreras de argón en la flotación de inclusiones mostra importantes reducciones de densidad inclusionaria en las partículas grandes (>30 µm). Como consecuencia de estos resultados, el dispositivo se está utilizando cuando es necesario producir acero con altos requisitos de limpieza.
La colocación de una pieza anti-vortex en el repar-tidor, bajo las condiciones de proceso ensayadas, no proporcionó mejoras en la limpieza inclusionaria indepen-dientemente del tamaño de partículas.
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